目录1. 继承的概念及定义1.1 继承的概念1.2 继承定义1.2.1 定义格式1.2.2 继承基类成员访问方式的变化1.3 继承类模板2. 基类和派生类之间的转化3. 继承中的作用域3.1 隐藏规则3.2 几个关于继承作用域相关的选择题4. 派生类的默认成员函数4.1 常见默认成员函数4.2 实现一个不能被继承的类5.继承与友元6. 继承与静态成员7. 多继承及其菱形继承问题7.1 继承模型7.2 虚继承7.3 多继承中的指针偏移问题7.4 IO库中的菱形虚拟继承8. 继承和组合正文开始1. 继承的概念及定义1.1 继承的概念继承(inheritance)机制是面向对象程序设计使代码可以复用的最重要的手段它允许我们在保持原有类特性的基础上进行扩展比如增加方法(即加入相关成员函数)和属性(即加入相关成员变量)这样产生新的类称派生类。继承呈现了面向对象程序设计的层次结构体现了由简单到复杂的认知过程。其与函数层次的复用不同继承是类设计层次的复用。如下所示我们看到没有继承之前我们设计了两个类Student和TeacherStudent和Teacher都有姓名/地址/ 电话/年龄等成员变量都有identity身份认证的成员函数设计到两个类里面就是冗余的。当然他们也有以些不同的成员变量和函数比如老师独有的成员变量是职称学生独有的成员变量是学号学生独有的成员函数是学习老师独有的成员函数是授课。#include iostream using namespace std; class Student { public: // 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证 void identity() { // ... } // 学习 void study() { // ... } protected: string _name peter; // 姓名 string _address; // 地址 string _tel; // 电话 int _age 18; // 年龄 int _stuid; // 学号 }; class Teacher { public: // 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证 void identity() { // ... } // 授课 void teaching() { //... } protected: string _name 张三; // 姓名 string _address; // 地址 string _tel; // 电话 int _age 18; // 年龄 string _title; // 职称 }; int main() { return 0; }利用继承的思想我们可以将公共的成员都放到Person类中Student和teacher都继承Person就可以复用这些成员而不需要重复定义了可以省去很多麻烦。如下所示#include iostream using namespace std; class Person { public: // 进⼊校园/图书馆/实验室刷⼆维码等⾝份认证 void identity() { cout void identity() _name endl; } protected: string _name 张三; // 姓名 string _address; // 地址 string _tel; // 电话 int _age 18; // 年龄 }; class Student : public Person { public: // 学习 void study() { // ... } protected: int _stuid; // 学号 }; class Teacher : public Person { public: // 授课 void teaching() { //... } protected: string title; // 职称 }; int main() { Student s; Teacher t; s.identity(); t.identity(); return 0; }1.2 继承定义1.2.1 定义格式如下图所示我们可以看到Person是基类也称作父类。Student是派生类也称作子类。(因为翻译的原因所以既叫基类/派生类也叫父类/子类)1.2.2继承基类成员访问方式的变化基类private成员在派生类中无论以什么方式继承都是不可见的。这里的不可见是指基类的私有成员还是被继承到了派生类对象中但是语法上限制派生类对象不管在类里面还是类外面都不能去访问它。基类private成员在派生类中是不能被访问如果基类成员不想在类外直接被访问但需要在派生类中能访问就定义为protected。可以看出保护成员限定符是因继承才出现的。实际上上面的表格我们进行一下总结会发现基类的私有成员在派生类都是不可见。基类的其他成员在派生类的访问方式 Min(成员在基类的访问限定符继承方式)public protected private使用关键字class时默认的继承方式是private使用struct时默认的继承方式是public不过最好显示的写出继承方式。在实际运用中一般使用都是public继承几乎很少使用protetced/private继承也不提倡使用protetced/private继承因为protetced/private继承下来的成员都只能在派生类的类里面使用在实际中扩展维护性不强。实例演示三种继承关系下基类成员的各类型成员访问关系的变化#include iostream #include string using namespace std; class Person { public: void Print() { cout Name: _name endl; // 注意_age是private只能在类内部访问 cout Age: _age endl; } // 提供public接口访问private成员 void setAge(int age) { _age age; } int getAge() const { return _age; } void setName(const string name) { _name name; } string getName() const { return _name; } protected: string _name; // 姓名 - protected成员 private: int _age; // 年龄 - private成员 }; // 三种继承方式演示 class StudentPublic : public Person { public: void showInfo() { // 可以访问基类的protected成员 cout Student name: _name endl; // 不能访问基类的private成员 // cout Age: _age endl; // 错误 // 可以通过public接口访问 cout Age via getter: getAge() endl; } void setStudentName(const string name) { _name name; // 可以因为_name是protected } protected: int _stunum; // 学号 }; class StudentProtected : protected Person { public: void showInfo() { // 在派生类内部可以访问基类的protected成员 cout Name: _name endl; // 可以使用基类的public成员函数在派生类内部 cout Age: getAge() endl; } protected: int _stunum; }; class StudentPrivate : private Person { public: void showInfo() { // 在派生类内部仍然可以访问基类的protected成员 cout Name: _name endl; cout Age: getAge() endl; } protected: int _stunum; }; // 测试代码 - 展示不同继承方式的外部访问权限 void testInheritance() { cout Public Inheritance endl; StudentPublic sp; sp.setName(Alice); // 可以调用基类public函数 sp.setAge(20); // 可以调用基类public函数 sp.Print(); // 可以调用基类public函数 // sp._name Bob; // 错误_name是protected外部不能访问 cout \n Protected Inheritance endl; StudentProtected spr; // spr.setName(Bob); // 错误setName变为protected外部不能访问 // spr.Print(); // 错误Print变为protected外部不能访问 spr.showInfo(); // 只能通过派生类自己的public接口访问 cout \n Private Inheritance endl; StudentPrivate spriv; // spriv.setName(Charlie); // 错误setName变为private外部不能访问 // spriv.Print(); // 错误Print变为private外部不能访问 spriv.showInfo(); // 只能通过派生类自己的public接口访问 } int main() { testInheritance(); return 0; }1.3 继承类模板#include iostream #include vector namespace noodles { //templateclass T //class vector //{ }; // stack和vector的关系既符合is-a, 也符合has-a templateclass T class stack : public std::vectorT { public: void push(const T x) { //基类是类模板时 需要指定一下类域 //否则编译报错error C3861:“push_back”找不到标识符 //因为stackint实例化时也实例化vectorint了 //但是模板是按需实例化push_back等成员函数未实例化所以找不到 vectorT::push_back(x); //push_back(x); } void pop() { vectorT::pop_back(); } const T top() { return vectorT::back(); } bool empty() { return vectorT::empty(); } }; int main() { noodles::stackint st; st.push(1); st.push(2); st.push(3); while (!st.empty()) { std::cout st.top() ; st.pop(); } return 0; } } // end of noodles2. 基类和派生类之间的转化public继承的派生类对象可以赋值给基类的指针 / 基类的引用。这里有个形象的说法叫切片或者切割。寓意把派生类中基类那部分切出来基类指针或引用指向的是派⽣类中切出来的基类那部分。基类对象不能赋值给派生类对象。基类的指针或者引用可以通过强制类型转换赋值给派生类的指针或者引用。但是必须是基类的指针是指向派生类对象时才是安全的。这里基类如果是多态类型可以使用RTTI(Run-Time Type Information)的dynamic_cast 来进行识别后进行安全转换。#include string using namespace std; class Person { protected: string _name; //姓名 string _sex; //性别 int _age; //年龄 }; class Student : public Person { public: int _No; //学号 }; int main() { Student sobj; //1.派生类对象可以赋值给基类的指针/引用 Person* pp sobj; Person rp sobj; //派生类对象可以赋值给基类的对象是通过调用基类的拷贝构造完成的 Person pobj sobj; //基类对象不能赋值给派生类对象会编译报错 //sobj pobj; return 0; }3. 继承中的作用域3.1 隐藏规则在继承体系中基类和派生类都有独立的作用域。派生类和基类中有同名成员派生类成员将屏蔽基类对同名成员的直接访问这种情况叫隐藏。 在派生类成员函数中可以使用基类::基类成员显示访问需要注意的是如果是成员函数的隐藏只需要函数名相同就构成隐藏。注意在实际中在继承体系里面最好不要定义同名的成员。#include string #include iostream using namespace std; class Person { protected: string _name 小李子; //姓名 int _num 111; //身份证号 }; class Student : public Person { public: void Print() { cout 姓名 _name endl; cout 身份证号码 Person::_num endl; cout 学号 _num endl; } protected: int _num 999; //学号 }; int main() { Student s1; s1.Print(); return 0; }3.2 几个关于继承作用域相关的选择题1.A和B类中的两个func构成什么关系 A. 重载 B. 隐藏 C. 没关系2. 下面程序的编译运行结果是什么 A. 编译报错 B. 运行报错 C. 正常运行#include iostream class A { public: void fun() { std::cout func() std::endl; } }; class B : public A { public: void fun(int i) { std::cout func(int i) i std::endl; } }; int main() { B b; b.fun(10); b.fun(); return 0; }答1. 选B隐藏派生类B中定义了与基类A同名的函数fun因此基类中的fun被隐藏。注意如果派生类没有定义同名函数则基类的fun会被继承并可见一旦派生类定义了同名函数即使参数不同基类所有同名函数都会被隐藏。2. 选A编译报错因为B中的fun隐藏了A中的fun所以 b.fun() 无法找到无参版本所以编译报错。若要调用基类版本需要显式写 b.A::fun() 或使用 using A::fun; 引入。4. 派生类的默认成员函数4.1 常见默认成员函数6个默认成员函数默认的意思就是指我们不写编译器会变我们自动生成⼀个那么在派生类中这几个成员函数是如何生成的呢是派生类的构造函数必须调用基类的构造函数初始化基类的那一部分成员。如果基类没有默认的构造函数则必须在派生类构造函数的初始化列表阶段显示调用。派生类的拷贝构造函数必须调用基类的拷贝构造完成基类的拷贝初始化。派生类的operator必须要调用基类的operator完成基类的复制。需要注意的是派生类的operator隐藏了基类的operator所以显示调用基类的operator需要指定基类作用域派生类的析构函数会在被调用完成后自动调用基类的析构函数清理基类成员。因为这样才能保证派生类对象先清理派生类成员再清理基类成员的顺序。派生类对象初始化先调用基类构造再调派生类构造。派生类对象析构清理先调用派生类析构再调基类的析构。因为多态中一些场景析构函数需要构成重写重写的条件之一是函数名相同。那么编译器会对析构函数名进行特殊处理处理成destructor()所以基类析构函数不加virtual的情况下派生类析构函数和基类析构函数构成隐藏关系。#include iostream #include string using namespace std; class Person { public: Person(const char* name peter) : _name(name) { cout Person() endl; } Person(const Person p) : _name(p._name) { cout Person(const Person p) endl; } Person operator(const Person p) { cout Person operator(const Person p) endl; if (this ! p) _name p._name; return *this; } ~Person() { cout ~Person() endl; } protected: string _name; // 姓名 }; class Student : public Person { public: Student(const char* name, int num) : Person(name) , _num(num) { cout Student() endl; } Student(const Student s) : Person(s) , _num(s._num) { cout Student(const Student s) endl; } Student operator (const Student s) { cout Student operator (const Student s) endl; if (this ! s) { // 构成隐藏所以需要显⽰调⽤ Person::operator (s); _num s._num; } return *this; } ~Student() { cout ~Student() endl; } protected: int _num; //学号 }; int main() { Student s1(jack, 18); Student s2(s1); Student s3(rose, 17); s1 s3; return 0; }4.2 实现一个不能被继承的类方法1基类的构造函数私有派生类的构成必须调用基类的构造函数但是基类的构成函数私有化以后派生类看不见就不能调用了那么派生类就无法实例化出对象。方法2C11新增了⼀个final关键字final修改基类派生类就不能继承了。// C11的⽅法 class Base final { public: void func5() { cout Base::func5 endl; } protected: int a 1; private: // C98的⽅法 /*Base() {}*/ }; class Derive :public Base { void func4() { cout Derive::func4 endl; } protected: int b 2; }; int main() { Base b; Derive d; return 0; }5.继承与友元友元关系不能继承也就是说基类友元不能访问派生类私有和保护成员 。class Student; class Person { public: friend void Display(const Person p, const Student s); protected: string _name; // 姓名 }; class Student : public Person { protected: int _stuNum; // 学号 }; void Display(const Person p, const Student s) { cout p._name endl; cout s._stuNum endl; } int main() { Person p; Student s; // 编译报错error C2248: “Student::_stuNum”: ⽆法访问 protected 成员 // 解决⽅案Display也变成Student 的友元即可 Display(p, s); return 0; }6. 继承与静态成员基类定义了static静态成员则整个继承体系里面只有⼀个这样的成员。无论派生出多少个派⽣类都只有⼀个static成员实例。class Person { public: string _name; static int _count; }; int Person::_count 0; class Student : public Person { protected: int _stuNum; }; int main() { Person p; Student s; // 这⾥的运⾏结果可以看到⾮静态成员_name的地址是不⼀样的 // 说明派⽣类继承下来了⽗派⽣类对象各有⼀份 cout p._name endl; cout s._name endl; // 这⾥的运⾏结果可以看到静态成员_count的地址是⼀样的 // 说明派⽣类和基类共⽤同⼀份静态成员 cout p._count endl; cout s._count endl; // 公有的情况下⽗派⽣类指定类域都可以访问静态成员 cout Person::_count endl; cout Student::_count endl; return 0; }7. 多继承及其菱形继承问题7.1 继承模型单继承一个派生类只有一个直接基类时称这个继承关系为单继承多继承⼀个派生类有两个或以上直接基类时称这个继承关系为多继承多继承对象在内存中的模型是先继承的基类在前面后面继承的基类在后面派生类成员在放到最后面。菱形继承菱形继承是多继承的⼀种特殊情况。菱形继承的问题从下面的对象成员模型构造可以看出菱形继承有数据冗余和二义性的问题在Assistant的对象中Person成员会有两份。支持多继承就⼀定会有菱形继承像Java就直接不支持多继承规避掉了这里的问题所以实践中我们也是不建议设计出菱形继承这样的模型的。class Person { public: string _name; // 姓名 }; class Student : public Person { protected: int _num; //学号 }; class Teacher : public Person { protected: int _id; // 职⼯编号 }; class Assistant : public Student, public Teacher { protected: string _majorCourse; // 主修课程 }; int main() { // 编译报错error C2385: 对“_name”的访问不明确 Assistant a; a._name peter; // 需要显⽰指定访问哪个基类的成员可以解决⼆义性问题但是数据冗余问题⽆法解决 a.Student::_name xxx; a.Teacher::_name yyy; return 0; }7.2 虚继承很多人说C语法复杂其实多继承就是一个体现。有了多继承就存在菱形继承有了菱形继承就有菱形虚拟继承底层实现就很复杂性能也会有⼀些损失所以最好不要设计出菱形继承。多继承可以认为是C的缺陷之⼀后来的⼀些编程语⾔都没有多继承如Java。#include string using namespace std; class Person { public: string _name; // 姓名 /*int _tel; int _age; string _gender; string _address;*/ // ... }; // 使⽤虚继承Person类 class Student : virtual public Person { protected: int _num; //学号 }; // 使⽤虚继承Person类 class Teacher : virtual public Person { protected: int _id; // 职⼯编号 }; // 教授助理 class Assistant : public Student, public Teacher { protected: string _majorCourse; // 主修课程 }; int main() { // 使⽤虚继承可以解决数据冗余和⼆义性 Assistant a; a._name peter; return 0; }我们可以设计出多继承但是不建议设计出菱形继承因为菱形虚拟继承以后无论是使用还是底层都会复杂很多。当然有多继承语法支持就⼀定存在会设计出菱形继承像Java是不支持多继承的就避开了菱形继承。#include string using namespace std; class Person { public: Person(const char* name) : _name(name) {} string _name; // 姓名 }; class Student : virtual public Person { public: Student(const char* name, int num) : Person(name) , _num(num) {} protected: int _num; //学号 }; class Teacher : virtual public Person { public: Teacher(const char* name, int id) : Person(name) , _id(id) {} protected: int _id; // 职⼯编号 }; // 不要去玩菱形继承 class Assistant : public Student, public Teacher { public: Assistant(const char* name1, const char* name2, const char* name3) : Person(name3) , Student(name1, 1) , Teacher(name2, 2) {} protected: string _majorCourse; // 主修课程 }; int main() { // 思考⼀下这⾥a对象中_name是张三, 李四, 王五中的哪⼀个 Assistant a(张三, 李四, 王五); return 0; }7.3 多继承中的指针偏移问题下面说法正确的是 A.p1 p2 p3B.p1 p2 p3C.p1 p3 ! p2D.p1 ! p2 ! p3class Base1 { public: int _b1; }; class Base2 { public: int _b2; }; class Derive : public Base1, public Base2 { public: int _d; }; int main() { Derive d; Base1 * p1 d; Base2 * p2 d; Derive * p3 d; return 0; }核心知识点多继承的内存布局与指针调整Derive同时继承Base1和Base2两个基类按声明顺序依次排布派生类自己的成员排在最后。假设int占4字节d的地址记为0x1000Derive 对象 d 的内存布局 ┌─────────────────┐ ← 偏移 0 (0x1000) │ Base1::_b1 │ Base1 子对象 ├─────────────────┤ ← 偏移 4 (0x1004) │ Base2::_b2 │ Base2 子对象 ├─────────────────┤ ← 偏移 8 (0x1008) │ Derive::_d │ Derive 自己的成员 └─────────────────┘ Base1 * p1 d; // Base1 子对象在偏移 0 → p1 0x1000 Base2 * p2 d; // Base2 子对象在偏移 4 → p2 0x1004编译器自动 4 Derive * p3 d; // 指向整个 Derive 对象 → p3 0x1000关键机制派生类指针转换为某个基类指针时编译器会根据该基类子对象的偏移量自动调整地址this 指针调整。Base1 在偏移 0 → 调整量 0 → p1 值 dBase2 在偏移 4 → 调整量 4 → p2 值 d 4关键结论指针 类型 地址 原因 p1 Base1* 0x1000 Base1 在偏移 0无需调整 p2 Base2* 0x1004 Base2 在偏移 4编译器自动 4 p3 Derive* 0x1000 直接指向整个对象 p1 p3都指向对象起始地址 p2 ! p1p2 被调整到了 Base2 子对象的偏移处注意p2的偏移是编译器自动完成的不是手动加的这是多继承 this 指针调整的核心。不同类型的指针比较无意义p1 p2 比较的是地址值但它们的语义指向不同子对象。要判断是否同一个对象应该用 dynamic_cast 转回 Derive* 再比较。选项 A、D 那种连续比较a b c、a ! b ! c在 C 中会按结合律解析成 (ab)c属于典型陷阱实际逻辑往往与字面直觉不符。这个偏移规律只适用于非虚继承。如果是虚继承virtual public布局和指针调整会复杂得多涉及虚基类表 vbtable。7.4 IO库中的菱形虚拟继承template class CharT, class Traits std::char_traitsCharT class basic_ostream : virtual public std::basic_ios CharT, Traits { }; templateclass CharT, class Traits std::char_traitsCharT class basic_istream : virtual public std::basic_iosCharT, Traits { };8. 继承和组合public继承是一种is-a的关系。也就是说每个派生类对象都是⼀个基类对象。组合是一种has-a的关系。假设B组合了A每个B对象中都有一个A对象。继承允许你根据基类的实现来定义派⽣类的实现。这种通过生成派生类的复用通常被称为白箱复用 (white-box reuse)。术语“白箱”是相对可视性而言在继承方式中基类的内部细节对派生类可见 。继承⼀定程度破坏了基类的封装基类的改变对派生类有很大的影响。派生类和基类间的依赖关系很强耦合度高。对象组合是类继承之外的另一种复用选择。新的更复杂的功能可以通过组装或组合对象来获得。对象组合要求被组合的对象具有良好定义的接口。这种复用风格被称为黑箱复用(black-box reuse)因为对象的内部细节是不可见的。对象只以“黑箱”的形式出现。 组合类之间没有很强的依赖关系耦合度低。优先使用对象组合有助于你保持每个类被封装。优先使用组合而不是继承。实际尽量多去用组合组合的耦合度低代码维护性好。不过也不太那么绝对类之间的关系就适合继承(is-a)那就用继承另外要实现多态也必须要继承。类之间的关系既适合用继承(is-a)也适合组合(has-a)就用组合。// Tire(轮胎)和Car(⻋)更符合has-a的关系 class Tire { protected: string _brand Michelin; // 品牌 size_t _size 17; // 尺⼨ }; class Car { protected: string _colour ⽩⾊; // 颜⾊ string _num 陕ABIT00; // ⻋牌号 Tire _t1; // 轮胎 Tire _t2; // 轮胎 Tire _t3; // 轮胎 Tire _t4; // 轮胎 }; class BMW : public Car { public: void Drive() { cout 好开-操控 endl; } }; // Car和BMW/Benz更符合is-a的关系 class Benz : public Car { public: void Drive() { cout 好坐-舒适 endl; } }; template class T class vector {}; // stack和vector的关系既符合is-a也符合has-a template class T class stack : public vector T {}; template class T class stack { public: vectorT _v; }; int main() { return 0; }